CN115264414B - 一种组合式紧凑型led透镜 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种组合式紧凑型LED透镜，包括位于外部的环形扩散透镜(3)和位于中部的准直透镜(2)；整体为以中心对称的回转体结构；其中，准直透镜包括下部在中心设置中心LED光源由柱面(5)环绕的圆柱空腔，圆柱空腔上部封闭的弧形曲面(4)，以及位于圆柱空腔外侧连至顶部平面(7)的过渡面(6)；扩散透镜包括与过渡面贴合的第二曲面(9)、上部外侧的第三曲面(10)，以及底部平面；底部平面在圆周上间隔设置由半球面(8)围成的半球空腔。本发明准直透镜用于将LED光源所发出的光校准成平行光，可以集中光能，适用于光线远距离传输；扩散透镜用于将LED光源所发出的调整成具有一定光束角度，可以适用于具有较大范围的照明。这种LED透镜组结构紧凑，可以实现两种照明效果。

Description

一种组合式紧凑型LED透镜
技术领域
本发明涉及半导体照明领域，更具体地说，涉及一种基于自由曲面透镜的紧凑型LED透镜组设计方法。
背景技术
LED的光谱几乎可以全部集中于可见光区域，并且效率可以达到80％～90％，而传统的白炽灯可见光转换效率只有10％～20％。由于LED具有体积小、响应快、寿命长，并且有节能、环保等优点，其已经应用在了很多方面，它也将在不久后会全部取替白炽灯等传统光源，同时，大幅度的半导体照明应用将在很大程度上节约能源，也会减少二氧化碳的排放量和荧光灯的汞污染，属于绿色光源。因此，着力发展半导体照明产业对我国经济的可持续发展战略具有很大的意义。
LED光源作为一种高效轻便的光源，使其在照明领域的应用十分广泛。但是由于LED光源是一种朗伯型光源，其发光角度大多在120°左右，而根据实际需要对于出光角度可能有不同的需求，因此需要对LED光源发出的光进行重新分配。通过自由曲面透镜可以对光线进行不同角度的调整，因此本发明通过研究紧凑型LED透镜组设计方法，通过自由曲面透镜实现LED光源准直发散或者大角度发散两种不同的出光效果，满足不同情况下的LED照明配光需求。
发明内容
本发明针对传统LED光传输距离不足，照射范围窄的问题，提供一种紧凑型LED透镜组设计方法，以实现远距离和宽范围的设计要求。
为了达到上述目的，本发明提供了一种紧凑型LED透镜组设计方法，包括位于外部的环形扩散透镜和位于中部的准直透镜；所述准直透镜和所述扩散透镜整体为以中心对称的回转体结构。其中，所述准直透镜包括下部在中心设置中心LED光源由柱面环绕的圆柱空腔，所述圆柱空腔上部封闭的弧形曲面，以及位于所述圆柱空腔外侧连至顶部平面的过渡面；所述扩散透镜包括与所述过渡面贴合的第二曲面、上部外侧的第三曲面，以及底部平面；所述底部平面在圆周上间隔设置由半球面围成的半球空腔；所述半球空腔中心设置外部LED光源。具体说，构成弧形曲面的母线，由如下公式确定：
其中，n为透镜的折射率，所述中心LED光源为原点O，所述弧形曲面上各点坐标为(xi，yi)，光线从O点发出，与竖向y轴的夹角分别为θ1，θ2，…，θi，夹角的范围为0～θmax＝A1；从光源O点出射的采样光线分为N份按等角度间隔Δθ进行采样，Δθ＝θmax/N，所以θi＝i·Δθ。弧形曲面的最低点与到光源O的距离为h，所以光线与光轴的夹角为0°时初始坐标e1为(0,h)。
构成所述柱面上的各点，由如下公式确定：
式中，Pt为光源发出的光线OFt与Y轴的夹角。A1为弧形曲面和过渡面的分界角，d为圆柱形空腔的半径，d＝htanA1，h为e1点的纵坐标。而且所述边界与所述弧形曲面相贯，能够确定最上点。
构成所述过渡面和所述第二曲面的母线，由如下公式确定：
其中，Qt为从所述柱面5出射的光线Ftft与过Ft点法线矢量的夹角；F1与f1的坐标都为(d,0)；ft点的坐标所述过渡面上ft点的切线的斜率为kt；
所述第三曲面(10)的母线，由如下公式确定：
式中，所述第三曲面上各点坐标为初始点E1的坐标可以表示为其中/>为第二曲面最上点，j表示过渡面和第二曲面之间的间隔，αi为从M点出射的光线过E1点与Y轴的夹角，ξi为经过点Ei所在第三曲面的水平线与切线的夹角。
优选方式下，本发明采用PMMA，PC，玻璃，晶体等材料。
此外，数量可以根据需要选择，优选方式下，每一组所述透镜组包括9个所述外部LED光源，其中位于中部的准直透镜2底部放置一个LED光源，环形扩散透镜3底部按等距离间隔放置8个LED光源。
在使用时，每一组所述透镜组独立使用；或者由多个所述透镜组构成阵列方式使用。
综上，本发明提供了一种紧凑型LED透镜组设计方法，所述方法的步骤包括：
(1)确定LED透镜组的尺寸，包括准直透镜和扩散透镜的大小、厚度参数；LED阵列的尺寸、总体面数、阵列每一面透镜的颗数；确定好LED光源以及分析光源数据，包括光通量、光强、瓦数参数，确定好接收面参数，包括尺寸、位置、吸收或散射特性、材料参数；
(2)将所述LED透镜组分为若干个区域，其中，所述准直透镜位于中心位置，所述扩散透镜环绕准直透镜，准直透镜底部具有圆柱形的空腔，可以用来放置LED光源，扩散透镜底部每隔一定的距离设置圆柱形的空腔，用来放置LED光源。
(3)以LED光源发出的朗伯型光源的配光特性为例，光源的发光特性为朗伯型，按照朗伯辐射体亮度不随角度θ变化的定义，得
即Iθ＝I0cosθ
其中，Iθ为光源θ角方向的辐射强度，I0为光源在法线方向的发光强度，θ为出射方向与面源法线之间的夹角，dA为光源的面积。
优选方法下，中心区域是最完整的TIR准直透镜，四周区域由扩散透镜组成，扩散透镜将准直透镜环绕一圈，扩散透镜的内表面的弧度与准直透镜的内表面弧度形状保持一致，将扩散透镜的内表面设置为全反射面，保证光源经过内表面反射到外表面出射，而不会入射到准直透镜里造成干扰。扩散透镜的外表面也具有一定的弧度，保证光线入射到外表面，经过外表面出射时能够实现大角度发散。
优选方法下，所述紧凑型LED透镜组设计方法，将单个LED透镜组按一定间距进行排列，组成3×3或者4×4的LED阵列模组，由准直透镜和扩散透镜组成的LED阵列可设置单面发光，也可设置为多面发光，通过阵列可以更好的达到出射距离远，发散角度大的设计效果。
本发明相对于现有技术的优点在于，所述设计方法在结构上紧凑精简，可以将LED光源发出的光经过两种透镜的折射、反射等，达到远距离和大角度的出光效果，与单个的LED传输距离和照射范围受到限制相比，本发明能使光更亮，并更加节约LED能量。除此之外，采用阵列形式，能够自行调整发光效果，适应不同情况的照明要求。
附图说明
图1是本发明***紧凑型LED透镜组光学***设计总体设计示意图；
图2是本发明***准直透镜折射部分光路原理示意图；
图3是本发明准直透镜反射部分光路原理示意图；
图4是本发明准直透镜反射部分边界条件光路示意图；
图5是发明***扩散透镜光路原理示意图。
具体实施方式
如图1，本发明紧凑型LED透镜组光学***设计总体设计示意图；本发明的***包括：准直透镜2和扩散透镜3，准直透镜2的外表面和扩散透镜的内表面具有相同的面型，两种透镜可以紧密结合。准直透镜内部具有一个圆柱形的空腔，LED光源放置在空腔底部中心位置，从光源中心发出的光线一部分经过准直透镜内表面发生折射，变为准直光线，另外一部分经过准直透镜的内表面折射和外表面发生全反射成为准直光线。而扩散透镜内具有一个圆柱形空腔，一定数量的LED光源可以根据需要均匀放置在空腔的底部。此部分LED光源中心发出的光线一部分经过扩散透镜内表面入射到扩散透镜内表面发生反射经过外表面折射，以一定角度射出透镜，另外一部分光线经过内表面入射到外表面发射折射并遵守折射定律，射出透镜。准直透镜2的外表面和扩散透镜内表面的面型结构相同，两个透镜结构紧凑，成为紧凑型LED透镜组。
如图2为本发明提供的准直透镜2的折射部分设计方法，所述准直透镜2底部带有圆柱形空腔用来放置LED光源1；所述准直透镜2的LED光源1位于底部中心，中心记为O点，光线从O点发出，这些光线与Y轴的夹角分别为θ1，θ2，…，θi，夹角的范围为0°～A1，A1为折射部分和反射部分的分界角，夹角小于A1，光线经过弧形曲面4准直出射，大于A1的夹角经过过渡面6反射后再准直出射。这些光线与弧形曲面4的交点为e1，e2，…，ei，弧形曲面4上各点坐标为ei(xi，yi)。经过弧形曲面4折射后的光线与光轴夹角分别为β1，β2，…，βi。构建弧形曲面4，就是获得e1，e2，…，ei一系列点的坐标的过程，为了计算自由曲面1上任一个采样点的坐标，需要推导自由曲面上相邻两个采样点之间的迭代关系，如果这种迭代关系建立起来，知道ei就可以计算出ei+1点。
如图2所示，从光源O点出射的采样光线分为N份按等角度间隔Δθ进行采样，Δθ＝θmax/N，所以θi＝i·Δθ。经过弧形曲面4的光线与光轴的夹角为0°时的初始点坐标为e1(0,h)，h为弧形曲面4的曲面最低点与到光源O的垂直距离。光线Oei经过弧形曲面4面后以平行于y轴的方向出射，所以根据折射定律有
sin(βi+θi)＝nsinβi (1)
式中，βi为从弧形曲面4出射的光线Oei与光轴夹角，n为透镜的折射率。
从而可以求得过ei点的切线的斜率为
过ei点的切线的斜率又可以表示为
ei+1点的横纵坐标之间的关系满足
xi+1＝yi+1tanθi+1 (4)
联立式子(3)和(4)可以得到
从式(5)和式(6)可以看出ei+1点的坐标可以由ei点的坐标，以及光线Oei与Oei+1和Y轴的夹角θi与θi+1来表示。初始点坐标为e1(0,h)给定，所以从初始值开始，利用这个迭代关系可以求出下一点的坐标，通过不断的迭代可以求出弧形曲面4上任意点的坐标，从而求出弧形曲面4的完整母线。
计算了弧形曲面4的曲面轮廓后，下面计算过渡面6的母线。经过过渡面6的光路示意图如图3所示。角度小于分界角A1的光线经过弧形曲面4出射，而角度大于分界角A1的光线先入射到柱面5，经柱面5折射后到过渡面6，经过渡面6反射后，最终经平面7出射。如图4准直透镜2的边界条件示意图所示，从O点发出的光线与柱面5的夹角分别为P1,P2,…Pt，这些光线与柱面5的交点为F1,F2,…Ft，这里反射部分的光线的角度区域为A1～P1，其中A1为折射部分和反射部分的分界角，P1为从O点发出的光线与柱面5的最大夹角，P1＝90°。经过过渡面6的光线采样光线分为N份按等角度间隔ΔP进行采样。所以θPt＝t·ΔP+A1。如此任意一条采样光线OFt与Y轴夹角Pt都是已知的。第t条光线OFt入射到柱面5上的Ft点的坐标为
式中，Pt为光源发出的光线OFt与Y轴的夹角。d为圆柱形空腔的半径，d＝htanA1，h为e1点的纵坐标，A1为折射部分和反射部分的分界角。
光线OFt经过柱面5折射到了准直透镜2的过渡面6，根据折射定律有
式中，Qt为从柱面5出射的光线Ftft与过Ft点法线矢量的夹角；n1为出射光线所经过的介质的折射率。第1条光线OF1经过柱面5折射后照到过渡面6面的起始点f1，边界5与外表面6相连，因此F1与f1的坐标都为(d,0)。
光线Ftft经过过渡面6反射后平行于Y轴的方向出射，反射角为βt，根据反射定律有
从而可以求得过过渡面6上过ft点的切线的斜率为
过ft点的切线斜率又可以表示为
Ft+1ft+1的斜率可表示为：
所以联立式子(11)和(12)可以得到
对于过渡面6初始点坐标为f1(d,0)给定，所以从初始值开始，利用这个迭代关系可以求出下一点的坐标，通过不断的迭代可以求出过渡面6上任意点的坐标，从而求出过渡面6的完整母线。
如图4为所述扩散透镜的设计原理，所述扩散透镜内部装有8颗LED，所述8颗LED位于扩散透镜的底部，实现大角度发散光。光线从点M发出，球面8是一个圆形拱起球面，不具备任何反射折射作用，所以LED出射的光线经过圆形拱起球面8以后光线的方向不发生变化。扩散透镜3中LED发出的光线一部分经过圆形拱起球面8直接入射到扩散透镜3内的第二曲面9，经过第二曲面9反射后入射到扩散透镜3第三曲面10，最终经第三曲面10出射。还有一部分光线经过圆形拱起球面8直接入射到第三曲面10，光线经过第三曲面10出射。第二曲面9的面型弧度与准直透镜的外表面6的弧度保持一致。所以根据公式(13)和(14)可以推算出第二曲面9的母线。
光线经过自由曲10出射的光路示意图如图5所示。从M点发出的光线与Y轴的夹角分别为α1,α2,…αi，这些光线与第三曲面10的交点分别为E1,E2,…Ei，，最高点E1也是第二曲面9母线上的最高点，同时与过渡面6的最高点也在同一水平面上，所以E1的坐标可以表示为(xfmax,+j,yfmax)，其中j表示过渡面6和第二曲面9之间的间隔。向量N是点Ei所在第三曲面10的法线，向量S是点Ei所在第三曲面10的切线，向量V是点Ei所在第三曲面10的垂直线，折射后的光线与第三曲面10垂直线夹角分别为η1,η2,…ηi，向量H是点Ei所在第三曲面10的水平线，水平线与切线的夹角为ξ1,ξ2,…ξi。根据折射定律的矢量形式有
1+n2-2n(Out·In)1/2·N＝Out-In·n (15)
其中，n为透镜的折射率，Out为入射光线的单位矢量，In为出射光线的单位矢量。由此可以得到法线向量Ni，则向量S的单位向量Si与Ni的关系为：
Ni·Si＝0 (16)
由向量S可得到光线经过第三曲面10上Ei点的切线的斜率为
kEi＝tanξi (17)
这里直线EiEi+1与点Ei所在第三曲面10切线重合，所以点Ei+1(xi+1,yi+1)与点Ei(xi,yi)的关系为
此外，直线MEi+1的方程为：xEi+1＝yEi+1tanαEi+1 (19)
联立式(18)(19)之后可以得到相邻两个采样点之间的坐标迭代关系如下：
对于第三曲面10初始点坐标为E1(xfmax+j,yfmax)给定，所以从初始值开始，利用公式(20)(21)这个迭代关系可以求出下一点的坐标，通过不断的迭代可以求出第三曲面10上任意点的坐标，从而求出第三曲面10的完整母线。
根据以上设计步骤，本发明可设计出一种准直透镜和扩散透镜可以紧密嵌套在一起，结构紧凑的LED透镜组光学***。本发明对传统照明光线传输在远距离传输和大范围照明之间的矛盾给出解决方法。该结构紧凑、易存放，适用于机器视觉、深海捕鱼等照明应用。
本发明公开了一种紧凑型LED透镜组设计方法，包括准直透镜和扩散透镜，准直透镜和扩散透镜可以紧密嵌套在一起，结构紧凑。准直透镜用于将LED光源所发出的光校准成平行光,可以集中光能，适用于光线远距离传输；扩散透镜用于将LED光源所发出的调整成具有一定光束角度，可以适用于具有较大范围的照明。这种LED透镜组结构紧凑，可以实现两种照明效果。
以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明披露的技术范围内，根据本发明的技术方案及其发明构思加以等同替换或改变，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (4)

1.一种组合式紧凑型LED透镜，其特征在于，包括位于外部的环形扩散透镜(3)和位于中部的准直透镜(2)；所述准直透镜(2)和所述扩散透镜(3)整体为以中心对称的回转体结构；其中，
所述准直透镜(2)包括下部在中心设置中心LED光源由柱面(5)环绕的圆柱空腔，所述圆柱空腔上部封闭的弧形曲面(4)，以及位于所述圆柱空腔外侧连至顶部平面(7)的过渡面(6)；
所述扩散透镜(3)包括与所述过渡面(6)贴合的第二曲面(9)、上部外侧的第三曲面(10)，以及底部平面；所述底部平面在圆周上间隔设置由半球面(8)围成的半球空腔；所述半球空腔中心设置外部LED光源，所述外部LED光源的中心点为M点；
构成弧形曲面(4)的母线，由如下公式确定：
其中，n为透镜的折射率，所述中心LED光源为原点O，所述弧形曲面(4)上各点坐标为(xi，yi)，光线从O点发出，与竖向y轴的夹角分别为θ1，θ2，…，θi，夹角的范围为0～θmax＝A1；从光源O点出射的采样光线分为N份按等角度间隔Δθ进行采样，Δθ＝θmax/N，所以θi＝i·Δθ；弧形曲面(4)的最低点与到光源O的距离为h，所以光线与光轴的夹角为0°时初始坐标e1为(0,h)；
所述柱面(5)上的各点，由如下公式确定：
式中，Pt为光源发出的光线OFt与Y轴的夹角；A1为所述弧形曲面(4)与所述柱面(5)的分界角，d为圆柱形空腔的半径，d＝h tanA1，h为e1点的纵坐标；而且所述柱面(5)边界与所述弧形曲面(4)相贯，能够确定最上点；
所述过渡面(6)和所述第二曲面(9)的母线，由如下公式确定：
其中，Qt为从所述柱面(5)出射的光线Ftft与过Ft点法线矢量的夹角；F1与f1的坐标都为(d,0)；ft点的坐标所述过渡面(6)上ft点的切线的斜率为kt；
所述第三曲面(10)的母线，由如下公式确定：
式中，所述第三曲面(10)上各点坐标为初始点E1的坐标可以表示为其中/>为第二曲面(9)最上点，j表示过渡面(6)和第二曲面(9)之间的间隔，αi为从所述M点出射的光线过E1点与Y轴的夹角，ξi为经过点Ei所在第三曲面(10)的水平线与切线的夹角。
2.根据权利要求1所述组合式紧凑型LED透镜，其特征在于，采用PMMA，PC，玻璃，晶体材料。
3.根据权利要求1所述组合式紧凑型LED透镜，其特征在于，每一组透镜组包括9个所述外部LED光源，其中位于中部的准直透镜(2)底部放置一个LED光源，环形扩散透镜(3)底部按等距离间隔放置8个LED光源。
4.根据权利要求1所述组合式紧凑型LED透镜，其特征在于，每一组透镜组独立使用；或者由多个所述透镜组构成阵列方式使用。
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